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长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 摘要 煤炭是我国重要的战略能源资源之一，对国民经济的发展和社会的稳定起着关键 的作用。然而目前对于煤炭的开采由于种种原因造成了不断发生重大的和恶性的安全 事故。因此，研制一套“智能分布式煤矿瓦斯实时预警监管系统”，用该系统装备我国 各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井，这对我国的煤矿企业是必要的。 为了治理低瓦斯矿井工作面回风流及上隅角瓦斯超限问题，本文利用工作面瓦斯 涌出量、瓦斯参数实际测定法，实测了工作面的瓦斯涌出构成。其中，本煤层约占2 6 ， 邻近煤层约占7 4 ，并从上隅角集中涌出；根据实测的煤层瓦斯压力、瓦斯含量、煤 层透气系数及钻孔瓦斯流量衰减系数等，评价本煤层属于极难抽放煤层，提出了下行 风加专用排瓦斯巷和采空区瓦斯抽放两套治理措施。现场应用表明，高位钻孔法抽放 瓦斯效果较好。 本文还讨论了红外光纤矿井瓦斯检测系统的性能测试以及甲烷气体浓度与吸收光 强关系等的实验方案、实验步骤和实验结果，以验证本文提出的光纤气体检测方案的 可行性。实验内容包括：光纤链路损耗实验、光源驱动和锁相放大电路输出波形实验、 甲烷气体吸收信号实验、系统的检测灵敏度分析。 在瓦斯涌出预测方面，本论文依据分形理论和支持向量机，建立矿井瓦斯涌出量 的分形支持向量机预测模型。首先对瓦斯涌出量数据进行时间序列分形处理，进行相 空间重构( 即求嵌入空间的维数) ，然后将嵌入维数作为支持向量机的输入节点数，采 用支持向量机对矿井瓦斯涌出量作出预测。结果表明：预测精度高达9 0 以上，说明 将此模型用于瓦斯涌出量的预测是可行的。然后，论文建立了一个一般性的煤矿瓦斯 涌出突出模型，进行了不同涌出强度下的仿真，利用模型分析了瓦斯浓度一次梯度和 二次梯度进行瓦斯突出快速预警的可行性，利用模糊数学工具给出了涌出，突出快速辨 别算法，可以在突出事故的极早期发出警报，为抑爆系统提供及时触发信号。由于煤 与瓦斯突出发生机理的复杂性，传统预测方法的应用受到很大的限制，而人工神经网 络理论以其高度非线性映射的特性为解决这一问题提供了新的途径。以突出预测指标 为基础，利用多层反向传播神经网络( b p 网络) 模型实现对突出危险性的预测。实例分 析表明，模型精度很高，可用于工作面煤与瓦斯突出危险性的预测。本文将分形和支 持向量机与人工神经网络结合来解决其各自的弊端，这是一种创新性的尝试。 为了提高坚硬低透气难抽煤层瓦斯抽放率，论文中研究应用裁剪脉冲加载法，调整 脉冲荷载，即采用钻孔有控爆破致裂技术产生适当数目的孔边裂纹。而裂纹数目主要 与压力脉冲上升时问、钻孑l 直径和周围介质中膨胀波传播速度相关。在论述裁剪脉冲 法的理论，原理及产生适当裂纹数目机理的基础上，将钻孔有控爆破致裂技术应用于 长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 现场，并确定出最佳致裂爆破参数。经现场瓦斯压力、流量等参数的对比试验测定，证 明了钻孔有控爆破致裂技术，使煤层瓦斯涌出量( 抽放率) 提高3 倍左右。 最后本文介绍了g p r s 技术及其在远程数据采集中的应用，并分析了传统煤矿瓦 斯浓度监测系统的组成和存在的问题，提出了应用g p r s 技术来解决这些问题的新思 路和实现方法。 关键词：工作面；支持向量机；神经网络；煤与瓦斯突出；预测 i i 长春工业大学硕士学位论文分布式智能瓦斯监测系统的研究 a b s t r a c t c o a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s t r a t a g e me n e r g yr e s o u r c e s ，i tp l a y sap i v o t a lf u n c t i o n i nt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h es o c i a ls t a b i l i z a t i o n b u tf o rt h em o m e n tt h e e x p l o i t a t i o no f c o a la l w a y s t a k ep l a c em o m e n t o u sa n dv i r u l e n ts e c u r i t ya c c i d e n tf o ra v a r i e t y o fr e a s o n s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yf o ro u rc o u n t r y sc o l l i e r ye n t e r p r i s et od e v e l o pak i n d o f “b r a i n p o w e rd i s t r i b u t i v i t yc o a l m i n eg a sr e a lt i m ep r e w a m i n gs u p e r v i s o r ys y s t e m ”，i tc a n e q u i p o u r c o u n t r y sl a r g e 、m i d d l e 、s m a l lc o l l i e r yw h i c hh a sh i g hg a s s e so rg a s s e so u t b u r s t m i n e t oc o n t r o lt h eg a sg o i n gb e y o n dt h el i m i ti nw o r k i n gf a c ea n da ta t u p p e r c o m e ri nl o w g a sm i n e ，b ya p p l y i n gt h em e n s u r a t i o no fg a sp a r a m e t e ra n dt h eq u a n t i t yo fg a se m i s s i o ni n w o r k i n gf a c e ，t h eq u a n t i t yo fc o a lg a se m i s s i o no c c y p i e sa b o u t2 6 ，t h eq u a n t i t yo fa d j a c e n t c o a lg a se m i s s i o no c c u p i e sa b o u t7 4 a n de m i t t e dc o n c e n t r a t e l ya tt h eu p p e rc o m e r a c c o r d i n g t ot h eg a sp r e s s u r e ，g a sc o a li sv e r yd i f f i c u l t ，t w ok i n d so fp r e v e n t i o na n dc o n t r o l m e t h o d sa r ep u t f o r w a r d ，n a m e l y ，d o w na i r i n e s sa n dl e t t i n gg a si a n e w a yt ob eu s e dw h o l l y , a n d g a sd r a i n a g ef r o mt h eg o a t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ee f f e c to fp e r c hb o r eg a s g r a l n a g ei sb e t t e rt h e nt h eo t h e r sh a v ep r o v e di t t h ea r t i c l ea l s oe l a b o r a t e dt h ei n f r a r e do p t i c a lf i b e rd a m pe x a m i n a t i o ns y s t e m p e r f o r m a n c et e s ta sw e l la st h em e t h a n eg a sd e n s i t ya n dt h ea b s o r p t i o nl u m i n o u si n t e n s i t y r e l a t i o n sa n dt h ee x p e r i m e n t a lp l a n ，t h el a b o r a t o r yp r o c e d u r ea n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，b y w h i c hc o n f i r m st h eo p t i c a lf i b e rg a se x a m i n a t i o np l a nf e a s i b i l i t yw h i c ht h i sa r t i c l ep r o p o s e d t h e e x p e r i m e n t a lc o n t e n ti n c l u d e s ：o p t i c a lf i b e rl i n kl o s se x p e r i m e n t 、t h ep h o t os o u r c e a c t u a t i o na n dt h ep h u s e l o c ke n l a r g e 、t h ee l e c t r i cc i r c u i to u t p u tw a v es h a p ee x p e r i m e n t m e t h a n eg a sa b s o r p t i o ns i g n a le x p e r i m e n ta n ds y s t e me x a m i n a t i o ns e c t o ra n a l y s i sh a v eb e e n d o n e i nt h i sp a p e r , w ec o n t r u c tt h em o d e lo ff o r e c a s t i n go fg a se m i s s i o nb a s e do nf r a c t a l t h e o r ya n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e f i r s t l yt h et r a i n i n gd a t as h o u l db ep r o c e s s e dt og e tt h e s p a c ed i m e n s i o nu s e da st h ea m o u n to fs v m sn o d e ，t h e nw em a k et h ef o r e c a s t i n gb a s e do n s v m t h er e s u l ts h o wt h a tt h ep r e c i s i o nh a sc o m eu pt oa b o v e9 0 ，w h i c hp r e s e n t st h e m o d e li sr e l i a b l e t h i sr e s e a r c hp r o p o s e dag e n e r a lm o d e lf o rm e t h a n eo u t b u r s t s s i m u l a t i o n s o fo u t b u r s t sd i f f e r e n ti ni n t e n s i t ya r eg i v e n t h ef e a s i b i l i t yo fo u t b u r s tp r e w a r i n gb yu s i n g t h ef i r s tg r a d i e n ta n ds e c o n dg r a d i e n to ft h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o nc u r v ei sa n a l y z e d ，a n da p r e w a r i n gm e t h o db a s e do nf u z z ym a t h e m a t i c si sp r e s e n t e d t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt o 舀v e t r i g g e r i n gs i g n a lt ot h ee x p l o s i o ns u p p r e s s i n gs y s t e m a tv e r ye a r l y s t a g eo fo u t b u r s t 长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 t r a d i t i o n a lm e t h o d sf o rp r e d i c t i o no fc o a la n dg a s o u t b u r s t sa l el a r g e l yr e s t r i c t e dt ot h e c o m p l e x i t yo ft h ep r o c e s s an e wp r e d i c t i o nm e t h o di sp r e s e n t e db yu s i n ga r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k sw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h l yn o n l i n e a r m a p p i n g i nt h i sp a p e r , b a s e do na n a l y s i s o no u t b u r s tp r e d i c t i o ni n d e x ，t h ep r e d i c t i o no fo u t b u r s th a z a r d si sc o n d u c t e db yu s i n gt h eb p n e t w o r km o d e l t h ee x a m p l ed e m o n s t r a t e st h a tt h em o d e l 啪p r e d i c tc o a la n dg a so u t b u r s t s w i t hh i g hp r e c i s i o n i nt h i sp a p e r , ic o m b i n et h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n et ot h en e u r a l n e t w o r k , w h i c hc 柚s o l v ee a c ha b u s e t h i si sai n n o v a t i v ea t t e m p t ar e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to na p p l i c a t i o no f c u t t i n ga n dp u l s el o a d i n gm e t h o di st o a p p l y ac o n t r o l l e db l a s t i n ga n dc r a c k i n gt e c h n o l o g yi nab o r eh o l et oh a v eac c r t a i nn u m b e r o fc r a c k i n ga l o n gt h eb o r eh o l e t h ec r a c k i n gn u m b e ri sd e p e n d e do nap r e s s u r ep u l s er i s i n g t i m e ，ad i a m e t e ro ft h eb o r eh o l ea n d a tr a n s m i s s i o ns p e e do ft h es u r r o u n d i n gm e d i u m e x p a n s i o nw a v e b a s eo nt h ei n t r o d u c t i o no ft h et h e o r y ，p r i n c i p l ea n dm e c h a n i s mo f c r a c k i n gn u m b e ro ft h ec u t t i n ga n dp u l s em e t h o d , t h eb o r eh o l ec o n tr o l l e db l a s t i n ga n d c r a c k i n gt e c h n o l o g y 啪b ea p p f i e dt oa m i n es i t ew i t ha no p t i m u m c r a c k i n gp a r a m e t e r a f t e rac o m p a r i s o nb e t w e e nm i n eg a sp r e s s u r e ，g a sf l o wa n do t h e rp a r a m e t e r s ，t h er e s u l ts s h o w nt h a tt h eb o r eh o l ec o n tr o l l e db l a s t i n ga n dc r a c k i n gt e c h n o l o g yc a l li n c r e a s et h eg a s e m i s s i o nq u a n t i t y ( o rg a sd r a i n a g er a t e ) a b o u t3t i m e s i nt h ee n d , t h i sp a p e ri n 仃o d u c e st h et e c h n i q u eo fg p r sa n di t sa p p l i c a t i o ni nr e m o t e d a t aa c q u i s i t i o n ，a n dt h e nw ea n a l y z et h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h et r a d i t i o n a lg a sm o n i t o r i n g s y s t e mi nt h ec o a lm i n e a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，w ep u tf o r w a r dan e wt h i n k i n ga n d r e a l i z i n gm e t h o db a s e d o nt h et e c h n i q u eo fg p r s k e yw o r d s ：w o r k i n gf a c e ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ；n e m a l n e t w o r k ；c o a la n dg a so u t b u r s t ； p r e d i c t i o n v 长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 孑勘 - 行2 日期：) a 。1 年月矽日 长春工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题的背景 煤炭是我国重要的战略能源资源之一，对国民经济的发展和社会的稳定起着关键 的作用。然而目前对于煤炭的开采由于种种原因造成了不断发生重大的和恶性的安全 事故。据统计，2 0 0 5 年全国的工矿企业共发生安全事故1 1 4 0 2 起，死亡1 2 5 5 4 人，其 中煤炭企业的死亡人数占工矿企业的大部分。 从以上统计数据可看出，煤矿的安全事故己成为我国煤炭事业发展的瓶颈，它给社 会的稳定和经济的发展带来了严峻的挑战。现在这一问题已经引起了国家和有关部门 的高度重视，因此，研制一套“智能分布式煤矿瓦斯实时预警监管系统”，用该系统装 备我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井，这对我国的煤矿企业是必要的。 8 0 年代初，我国从国外引进了一批安全监控系统，如d a n f i 4 0 0 t f 2 0 0 ，但这些系统 经过2 0 年的使用，相当一部分监控系统由于技术水平低、功能和扩展性能差，现场维 护和技术服务跟不上等原因，或者己淘汰，或者已停产：2 0 0 0 年以来，国内各主要科 研单位和生产厂家推出了k j x 或k j f x 等监控系统，并规定我国各大中小煤矿必须装备 矿井监控监测系统。然而，从近几年我国矿井发生的严重瓦斯爆炸事故看，上述的监 控监测装备存在着一些功能不完善、技术水平低等问题。还有有设备不用、设备维护 跟不上等人为管理问题更加严重。这些系统已经不适应我国当前煤矿安全生产管理部 门对煤矿安全监管的要求。 我们需要一个功能更加综合的煤矿安全信息管理系统，而不仅仅是一个监控监测 装备，所以，我们迫切需要研制开发技术可靠性高、技术和管理相互制约、以技术强 制煤矿监管的这种基于煤矿、地( 县市) 、省三级可视化网络平台的瓦斯安全信息采集、 检测、传输和实时预测、在线分析、智能专家决策和事故现场准确定位综合管理一体 化的安全管理系统。 由于本系统的智能化，使得它具有专家水平级的煤矿安全信息监管的能力。它提 供了更完整的更可靠的管理信息和决策信息、预警信息和事故抢救方案，极大地提高 了系统的适应性和可信性，它将会大大降低事故发生率，提高煤矿的安全性和监管性， 促进煤矿及采掘业的安全、稳定和持续的发展，保障国家和人民生命财产更加安全， 降低在采掘行业中的安全成本。 1 2 论文研究的目的和意义 煤矿的安全事故目前已成为我国煤炭事业发展的瓶颈，所以研制一套“智能分布 式矿山安全信息系统”，对我国的煤矿企业是必要的。 本论文主要针对瓦斯浓度进行监控，同时丌方式进化式的系统结构可以使其它监 控技术方便的连入系统，这样既保证了安全这个关键问题的解决，又具有很好的灵活 长春工业大学硕士学位论文分布式智能瓦斯监测系统的研究 性、可扩充性，同时，它节约了系统的成本造价，可在大中小煤矿普遍使用。 该系统一旦开发成功，可以有效的缓解目前我国煤矿的瓶颈现状，加速煤矿安全 生产计划的进程，减少煤矿事故，避免因生产事故导致的生命财产损失。同时，对保 障我国持续快速发展，也起到了间接的促进作用。目前，在国内，瓦斯的冗余检测以 及气敏传感器的阵列式分布都是一个创新的尝试。 1 3 国内外有关研究现状 目前，世界上对煤与瓦斯突出机理仍然停留在假说阶段，对瓦斯突出、爆炸等事 故的成因及致灾机理认识不清；突出与构造的关系尚未完全认知；对小构造的探测缺 乏有效的手段，利用瑞利波、地质雷达、弹性波等多种方法进行井下超前探测仍处在 试验阶段；对冲击地压等还没有形成完整的治理手段。 我国监测监控技术应用较晚，8 0 年代初，从波兰、法国、德国、英国和美国等引 进了一批安全监控系统( 如d a n 6 4 0 0 、t f 2 0 0 、m i n o s 和s e n t u r i o n - 2 0 0 ) ，装备了部分 煤矿。由于当时相当一部分监控系统技术水平低、功能和可扩展性能差、现场维修维 护和技术服务跟不上等原因，或者已淘汰、或者己停产。因此造成相当一部分矿井无 法继续正常使用已装备的系统。特别是近年来由于老系统服务年限将至，已没有继续 维修维护的必要，系统面临更新改造的过渡期。 随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要，国内各主 要科研单位和生产厂家又相继推出了一系列监控系统。同时，在“以风定产，先抽后 采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，国家规定了我国各大、 中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井必须装备矿井监测监控系统。因此，大大小小的 系统生产厂家如雨后春笋般的不断出现，为用户提供了更多的选择机会，也促进了各 厂家在市场竞争条件下不断提高产品质量和服务意识。 长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 第二章分布式智能瓦斯监测系统总体框架 监测系统由早期的地面单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同监测 监控系统的联网监测。其主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、 传感器等组成。结构图如下： 图2 1 分布式智能瓦斯监测系统结构图 2 1 系统功能 煤矿发生事故的原因很多，如瓦斯浓度超标、透水、塌方等，本文只讨论由于瓦 斯原因而导致的事故。 在煤矿井下安装瓦斯传感器可有效的监测井下瓦斯浓度，一旦到达l 临界点就发出 警报，并且自动采取必要的紧急措施，避免或减少人们的生命财产损失。 从近几年我国矿井发生的严重瓦斯爆炸事故看，目前使用的监控监测装备存在着 通信协议不规范，井下信息传输设备物理接口协议不规范，传感器质量不过关等问题。 研制一套“分布式智能煤矿瓦斯监测系统”，不仅能实现监测监控，而且能解决如下问 题：g p r s 无线及因特网双重报警系统；安全信息预警专家系统；事故抢救方案专家系 统；冗余式智能瓦斯检测、综合分析专家系统等。 2 2 关键技术 长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 2 2 1 瓦斯检测点的多传感器冗余结构 据统计，国产安全检测用甲烷传感器几乎全部采用载体催化元件，然而，长期以 来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点，严重 制约着矿井瓦斯的正常检测，与国外同类传感器相比差距较大。我们采用多点多传感 器检测及信息融合技术，使得瓦斯浓度的测试更加准确可信。同时，采用了传感器提 前失效预警技术，避免了由于传感器在恶劣环境下所产生的失灵或精度下降而带来的 严重结果。 2 2 2 中间件技术 中间件技术可以解决不同厂家生产的传感器存在的某些差异，提高系统的兼容性。 针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范，应尽快寻找一种解决系统兼容性 的途径或制定相应的专业技术标准，这对促进矿井监控技术发展和系统的推广应用均 具有十分重要的意义 2 2 3 智能化的决策分析 我们采用人工智能和计算智能的技术和方法对瓦斯浓度和环境参数进行综合分 析，已得出客观的报警决策信息，上述的安全信息专家系统可直接对事故抢救决策提 供支持。系统不仅能实现监测监控，而且在软件技术上研究开发能根据被监测环境地 点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案。同时系统应用软件应向 网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据。 2 2 4 精确定位 精确定位可对矿井中任何工作面进行精确定位，反映工作面的工作情况，也可以 对具有事故隐患的工作面进行精确定位，还可以对发生事故的工作区进行精确定位。 2 2 5 可视化管理与实时报警 对煤矿现场必要区域进行监控、对瓦斯检测设备使用状况或设备失效进行监控、 对事故的发生和发生地点进行监控，经智能化决策分析后，采用g p r s 技术和因特网 互联技术发出实时报警信号，通知相关的部门和相关的领导人以及责任人，事故信息 以短信或报警铃声直接反映到相关领导和责任人的手机，并按事故的级别通知相应级 别的各级监控室乃至国家安全生产监督管理总局，保证了瓦斯检测数据的不可更改性， 可有效避免煤矿负责人欺上瞒下、隐瞒事故的现象发生。 2 2 6 抢救预案的制定 我们采用抢救预案专家系统对事故的现场及环境，事故的严重性及规模，抢救的 长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 资源，进行综合的分析，及时的制定出抢救方案，以备抢救工作领导小组参考使用。 2 3 技术水平 结合实际情况和系统的可行性研究，以及目前现有的技术水平，该系统我们要采 用如下技术。 2 3 1 瓦斯检测点采用多传感器信息融合技术 采用多点连续检测、在线辨识技术，避免了由于传感器在恶劣环境下所产生的失 灵或精度下降而带来的严重结果。使得瓦斯浓度的测试更加准确可信。 2 3 2 智能化的决策分析技术 我们采用人工智能和计算智能的技术和方法对瓦斯浓度和环境参数进行综合分 析，已得出客观的报警决策信息，上述的安全信息专家系统可直接对事故抢救决策提 供技术支持。 2 3 3 精确定位技术 可对矿井中任何工作面进行精确定位，反映工作面的工作情况，也可以对具有事 故隐患的工作面进行精确定位，还可以对发生事故的工作区进行精确定位。 2 3 4 实时报警技术 对事故的工作面进行实时报警，对相关的部门实时报警，对相关的领导人( 责任 人) 实时报警，我们采用了g p r s 技术，将报警的短信或报警的铃声直接反映到相关 领导、责任人和上级管理部门人的手机上，并且对各级集中监控室进行报警 2 3 5 抢救预案的制定 我们采用抢救预案专家系统对事故的现场及环境、事故的严重性及规模、抢救的 资源进行综合的分析，及时的制定出抢救方案，以备抢救工作领导小组参考使用。 2 3 6 开放式、进化式的系统结构 三级网络开放式的结构使得系统具有更好的灵活性、适应性和监管性，以满足不 同情况的需要，进化式的系统可不断的升级，保证了兼容性、适应性和监管性，可以 满足对于煤矿现场的有力监管。 2 4 应用前景及社会经济效益分析 通过我i fj 在阅大量的州关资料，结果表明国内目前具有本系统功能的煤矿安全信 长春工业大学硕士学位论文分布式智能瓦斯监测系统的研究 息系统尚不存在。而且由于本系统的智能化，使得本系统成为具有专家水平级的煤矿 安全信息系统：它提供了更完整，更可靠的管理信息和决策信息；预警信息和事故抢 救方案，极大地提高了系统的适应性和可信性。由于我国目前煤矿瓦斯安全事故频频 发生，而现在的安全监控系统又不能满足监测的需要，所以，在全国，至少有几万个 煤矿需要一种可靠的安全信息和监管系统，这为本系统提供了广阔的市场空间。由于 本系统的性能价格比高，适应性好，使用该系统必将会大大降低事故发生率，提高煤 矿的安全性，促进煤矿和采掘业的安全、稳定和持续的发展，保障国家和人民生命财 产更加安全，降低在采掘行业中的安全成本。所以该系统具有显著的社会效益，预计 该系统得到广泛应用后，可为全国煤矿安全带来上百亿元的直接经济效益。特别需要 说明的是，当该系统在一定规模和范围的煤矿中使用时，由于本系统的特点，使得它 能发挥更大的功效。必将会给使用本系统的煤矿带来更大的经济效益。 下面，我将分几个章节对分布式智能瓦斯监测系统中的瓦斯参数测定、g p r s 在监 测系统中的应用做具体的介绍。并详细研究支持向量机与人工神经网络分别在瓦斯突 出预测中的应用，并且首次将分形和支持向量机与人工神经网络结合在一起来预测瓦 斯突出，这是一个创新性的尝试，并取得了一些成果，提高了预测的准确性。 长春工业大学硕士学位论文 分布式智能瓦斯监测系统的研究 第三章瓦斯矿井煤层基本瓦斯参数测定与应用 煤层瓦斯基本参数是煤层瓦斯储量计算、瓦斯涌出量预测、煤与瓦斯突出危险性预 测、瓦斯抽放评价和煤矿瓦斯灾害综合治理的基础性参数，主要包括煤层瓦斯压力p 、 瓦斯含量w 等。 低瓦斯矿井瓦斯涌出的不均衡性以及上隅角瓦斯超限问题是影响煤矿安全生产的 突出因素之一。本论文研究低瓦斯煤层基本瓦斯参数及工作面瓦斯涌出构成，进而探 讨工作面瓦斯治理措施与方法。 3 1 回采工作面瓦斯涌出构成 研究表明，在进风侧，部分新鲜风流由工作面进入采空区；在回风侧，风流携带 高浓度瓦斯由采空区返回工作面；而在工作面中部基本没有风流进出。因此，可以根 据工作面下半部的瓦斯涌出量推算整个工作面的本煤层瓦斯涌出量，然后通过计算总 的瓦斯涌出量，求得工作面瓦斯来源及其比例。根据资料的实测数据表明，工作面中 部某处生产班的平均瓦斯浓度为0 1 4 ，从进风巷一侧到该处，长度为7 5m ，风量为 1 3 2 1 m 3 m i n ，由此我们可以计算出该段的瓦斯涌出量为1 8 5m 3 m i n ，这样我们可以 粗略推算出本煤层整个工作面瓦斯涌出量为3 1 6m 3 m i n ，该班回风巷的瓦斯浓度为 0 9 2 ，风量为1 3 2 4m 3 m i n ，由此可计算出该工作面总的瓦斯涌出量1 2 1 8 为m 3 m i n 。 显然，本煤层瓦斯涌出量仅占2 5 9 4 ，而采空区则占7 4 0 6 。检修班与生产班具有类 似的瓦斯涌出特点，这就说明，工作面瓦斯涌出量与生产方式的关系并不大。 3 2 煤层基本瓦斯参数测定 3 2 1 煤层瓦斯压力测定 本论文的研究中选用的是中国矿业大学新近提出的煤层瓦斯测压新方法，即胶囊 密封黏液泡沫封孔测压法。其测压过程及主要技术原理如下： ( 1 ) 在待测煤层中选定某一合适的地点，平行煤层打测压钻孔，孔深1 5 2 0m ，孔径 9 0 咖，钻孔完成后将测压仪送入钻孔，孔底预留出2m 长的空间作为测压室： ( 2 ) 将乳化液注入胶囊，胶囊膨胀封住钻孔及胶囊间黏液泡沫，黏液泡沫封住测压室里 的瓦斯。测压时，每8 h 观察记录瓦斯压力、胶囊乳化液压力和黏液段压力1 次，如瓦 斯压力连续3 次没有变化，即视该稳定压力为煤层瓦斯压力。测压结果见表3 2 1 1 。 表3 2 1 1 煤层瓦斯基本参数测定结果 长春工业大学硕士学位论文分布式智能瓦斯监测系统的研究 3 2 2 煤层瓦斯含量测定 研究中首先采用直接法测定煤层的瓦斯含量，即通过钻孔采集煤样装入密闭容器， 在实验室内用脱气仪抽出全部瓦斯，确定煤层瓦斯含量。瓦斯含量测定采用的标准是 m t t 7 7 - 4 9 标准，瓦斯含量由损失量、解吸量、常温脱气量和加热脱气量四部分组成。 测定地点和测压点相同，测定结果见表3 2 1 。从表3 2 1 中可以看出，测定点的c h 及n ，含量均在2 0 9 6 8 0 之间，属于n ：一c h 带，与井田勘探实测结果一致。 为了检验测定的结果，研究中又采用间接法计算了煤层瓦斯含量。鉴于测压点煤层 处于瓦斯风化带，瓦斯中n ，和c o ，气体占有较大的比例，因此，将原来瓦斯含量计算 公式修正为： ， a b p 。1 0 0 一a wl ， x2 而1 丽一。i 而“pl 厅 x 瓦p i i | ( 3 2 2 - 1 ) f 卜7 + _ j 鬲了 计算结果显示，与直接法差值很大，最大的超过5 0 ，最小的为2 5 。分析造成误 差的主要原因是：温度对瓦斯含量有很大的影响，实验室测定l a n g m u i r 吸附常数的温 度不一致，需要靠经验数据修正；煤层内气体成分复杂，仅仅测定c h 。的吸附常数是 不够的，还需要测定其他气体成分的吸附常数等。显然，间接法不确定因素多，数据 误差大，因此，采用直接法来测定结果。 3 2 3 煤层瓦斯透气系数计算 已有研究表明，钻孔径向流量法测定结果准确，不受煤层条件限制，实用性好， 应用广泛。但这种测定方法在计算透气系数时，需要在一组公式里经过多次试算才能 找到合适的计算公式，而且理论分析还表明，现有的计算方法还存在着无法找到合适 的计算公式，或存在两个互相矛盾的计算结果等问题为此，我们用修正后的公式组 对透气系数进行了计算，解决了存在的问题，并给出了不需要试算即可直接计算透气 系数的优化算法( 表3 2 3 1 ) 。计算结果表明，2 3 煤层透气系数很低，属于低透气煤 层。 表3 2 3 1 修正后的煤层透气系数优化计算 、j f ! 詈。瓷最效一 指数一 0 曼2 警 透t 最教tx ， jo3 酷】 j j j1 = 竹“ lo2 5 5 0 8 2l 一5 5 6 = 11 4 b “4 o 8 7 18 9 7 一o1 9 5 5 4 8 5 强- 5 笔 = l i q 4 ”v o 6 7 s 2 一n1 4 t 6 笔? 乞、= l5 酬” m 一j 9 州4 落3 r 矗、= li a+o e , 2 2 “ t 5 l f i3 n 0 9 4 ，4 j 一3 j 6 ， 、=l 1 1f “ 8 2 h 胯 i = m m 州 廖 融 m 长春工业大学硕士学位论文分布式智能瓦斯监铡系统的研究 3 2 4 煤层瓦斯钻孔流量衰减系数 煤层瓦斯钻孔流量衰减系数是衡量煤层瓦斯抽放难易程度的重要指标，它表示钻 孔瓦斯流量随时问变化的衰减速度。它可通过测定流量与时间的关系来计算。流量与 时间的关系服从负指数关系： q = q oc - f ( 3 2 4 - 1 ) 根据钻孔的实际测定资料，作q t 曲线图( 图3 2 4 1 ) 。可以看出，钻孔瓦斯流 量衰减很快，在1 h 以后已经测不到瓦斯流量，衰减系数为1 1 4 3 1 d 一1 。考虑到这个因 素，不应从定量的角度来看待实际计算得到的流量衰减系数，而应该从定性的角度来 看。 一 ， 量 一 堪 t 篙 图3 2 4 i 瓦斯流量衰减曲线 3 3 工作面瓦斯治理 根据煤层瓦斯基本参数测定结果，结合工作面瓦斯涌出规律的研究现状及国内外 的实践情况，工作面瓦斯治理应采取两套措施，即工作面上隅角瓦斯抽放和下行风加专 用排瓦斯巷。 3 3 1 工作面上隅角瓦斯抽放 根据煤矿安全规程第1 4 5 条和矿井瓦斯抽放管理规范第9 条之规定，采 煤工作面瓦斯涌出量大于5 m 3 m i n 时，用通风方法解决是不合理的，必须建立地面永 久抽放系统或井下临时抽放系统。目前，实验数据中工作面最大瓦斯涌出量已经达到 了1 3 2 3 m3 m i n ，并随着风量及埋深的增大而增大。瓦斯涌出量中，本煤层约占2 0 0 9 6 ， 邻近层约占8 0 o ，并从上隅角集中涌出，用通风方法解决瓦斯问题已经不合理。另外， 实测煤层还存在着透气性系数较低、钻孔瓦斯流量小、衰减快，煤层瓦斯含量小等问 题，根据矿井瓦斯抽放管理规范第1 9 条对未卸压的原始煤层瓦斯抽放难易程度的 分类标准和第1 0 条煤层瓦斯抽放量和抽放服务年限要求，评价本煤层为极难抽放煤层。 为了解决工作面上隅角瓦斯严重超限问题，故提出上隅角瓦斯抽放方法。该法通过抽 放采空区上隅角瓦斯，使上f i 1 5 角始终保留一个漏风汇，并改变该处的瓦斯流动方向， 以排除其高浓度瓦斯和减少向工作而回风巷的涌入。该方法又分为预埋管法和高位钻 9 长春工业大学硕士学位论文分布式智能瓦斯监测系统的研究 孔法两种方法。埋管法是常用的采空区瓦斯抽放技术，其特点是简单易行，成本低廉。 高位钻孔法是根据煤层瓦斯地质条件及瓦斯流动规律在靠近回风巷的煤层顶板向采空 区冒落带及裂隙带打钻孔，通过抽放负压在冒落带及裂隙带形成通风汇，进而改变采 空区流场的分布。现场实际抽放结果表明，高位钻孔法比埋管法抽放效果好，有效地 解决了采空区瓦斯从上隅角一带大量涌出所造成的上隅角瓦斯大面积积聚和回风流瓦 斯超限问题。 3 3 2 下行风与通风系统治理工作面瓦斯 采用这样的通风系统可以起到以下3 个方面的作用：一是增加漏风汇，变一源一 汇为一源两汇，使采空区上隅角瓦斯从漏风汇中排出，并注意漏风汇的位置对控制采 空区上隅角瓦斯涌出具有重要作用；二是对高浓度瓦斯实施了隔离。按照煤矿安全 规程的规定，尾巷的瓦斯浓度最高可以保持在2 5 ，这样可大幅度增加回风巷和尾 巷综合排放瓦斯的能力；三是下行通风可以降低采空区的瓦斯涌出量。下行风时，瓦 斯的上浮作用和自然风压可以降低采空区漏风，从而减少采空区瓦斯涌出。但应特别 注意排除对煤层自燃的影响。根据计算，在工作面风量为1 3 5 0m3 m i n 时，瓦斯涌出 量为1 3 2 3 3 m i n ，其中的8 0m 3 m i n 为风量增加导致漏风增大而造成的。可以考 虑把风量调低到6 5 0i n 3 m i n ，这样工作面瓦斯涌出量在6 0i l l 3 m i n 左右。对尾巷分 配的风量为2 0 0m3 m i n 左右，瓦斯浓度保持在2 o 左右，这样回风巷的风量在 4 5 0 m m i n 左右，瓦斯浓度在0 5 以下，这就可以很好地解决上隅角超限和回风巷瓦 斯一直处在临界状态的问题。 3 4 结论 根据上面的数据和计算显示，可以得出如下结论： ( 1 ) 工作面瓦斯涌出量比较高，最高达到了1 3 2 3 m m i n ，瓦斯涌出构成中本煤层约占 2 6 ，采空区约占7 4 ，并从上隅角集中涌出。 ( 2 ) 根据实测煤层基本瓦斯参数，评价本煤层属于极难抽放煤层。 ( 3 ) 根据工作面采场瓦斯主要来源于采空区并在上隅角集中涌出的特点，提出了工作面 瓦斯治理的两套治理措施，即下行风加专用排瓦斯巷和采空区瓦斯抽放。 ( 4 ) 建议在目前的情况下，进步开展煤层瓦斯基本参数的测定及工作面瓦斯涌出规律 研究，尽快采取措施，通过试验探求适合低瓦斯矿井工作面瓦斯治理的技术与方 法。 长春工业大学硕士学位论文分布式智能瓦斯监测系统的研究 第四章红外光纤矿井瓦斯检测系统的试验研究 4 1 引言 光纤传感采用低损耗的光纤作为敏感元件或传光回路，能应用于各种严酷环境中， 如易燃、易爆、强磁场等狭小的环境中，并易于实现远距离、多点和分布式传感结构。 近年来，它在环境监测、电力系统、矿井油田和辐射区域的安全